CG之基本光照模型计算公式

在一个基本模型里，一个物体表面的颜色是由放射(emissive)、环境反射(ambient)、漫反射(diffuse)和镜面反射(specular)等光照作用的总和。每种光照作用取决于表面材质的性质（如亮度和材质颜色）和光源的性质（如光的颜色和位置）的共同作用。

从数学上描述基本模型的高级公式如下所示：

surfaceColor = emissive +ambient + diffuse + specular

一、放射项

emissive = Ke

其中：

Ke代表材质的放射光颜色。

二、环境反射项

ambient = Ka * globalAmbient

其中：

Ka是材质的环境反射系数。

globalAmbient是入射环境光的颜色。

三、漫反射项

diffuse = Kd * lightColor * max(dot(N, L), 0)

其中：

Kd是材质的漫反射颜色。

lightColor是入射漫反射光的颜色。

N是规范化的表面法向量。

L是规范化的从顶点到光源的向量。

四、镜面反射项

specular = Ks * lightColor * facing * pow(max(dot(N, H), 0), shininess)

其中：

Ks 是材质的镜面反射颜色。

lightColor是入射镜面反射光的颜色。

N是规范化的表面法向量。

H是规范化的，顶点到光源的向量与顶点到眼睛的向量的中间向量。

facing是，如果dot(N,L)大于0则为1，否则为0。其中L是顶点到光源位置的向量。

shinniess是表面光泽度。

例如，在unity3d shaderLab，在顶点shader中计算光照的代码如下：

Shader "Custom/Test"
{
    Properties
    {
        _Ke("Ke", Color) = (1,1,1,1)
        _Ka("Ka", Color) = (1,1,1,1)
        _GlobalAmbient("Global ambient", Color) = (1,1,1,1)
        _Kd("Kd", Color) = (1,1,1,1)
        _Ks("Ks", Color) = (1,1,1,1)
        _Shininess("", float) = 1
    }

    SubShader
    {
        Pass
        {
            Tags
            {
                "RenderType" = "Opaque"
            }

            CGPROGRAM
            #pragma vertex Vert
            #pragma fragment Frag

            #include "UnityCG.cginc"
            #include "Lighting.cginc"

            uniform float4 _Ke;
            uniform float4 _Ka;
            uniform float4 _GlobalAmbient;
            uniform float4 _Kd;
            uniform float4 _Ks;
            uniform float _Shininess;
            
            struct VertexInput
            {
                float4 pos : POSITION;
                float2 uv : TEXCOORD0;
                float3 nor : NORMAL;
                float4 col : COLOR;
            };

            struct FragmentInput
            {
                float4 pos : SV_POSITION;
                float2 uv : TEXCOORD0;
                float4 col : COLOR;
            };

            FragmentInput Vert(VertexInput vi)
            {
                FragmentInput fi;
                fi.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, vi.pos);
                fi.uv = vi.uv;

                // compute emissive
                float3 emissiveC = _Ke.rgb;

                // compute ambient
                float3 ambientC = _Ka.rgb * _GlobalAmbient.rgb;

                // compute diffuse
                float3 nor = mul(vi.nor, (float3x3)_World2Object);
                float3 dir2Light = normalize(WorldSpaceLightDir(vi.pos));
                float nl = max(0, dot(nor, dir2Light));
                float3 diffuseC = _Kd.rgb * _LightColor0.rgb * nl;

                // compute specular
                float3 dir2Cam = normalize(WorldSpaceViewDir(vi.pos));
                float nh = max(0, dot(nor, dir2Cam + dir2Light));
                float specLight = nl > 0 ? pow(nh, _Shininess) : 0;
                float3 specC = _Ks * _LightColor0.rgb * specLight;

                fi.col.rgb = emissiveC + ambientC + diffuseC + specC;
                fi.col.a = 1;

                return fi;
            }

            float4 Frag(FragmentInput fi) : Color
            {
                return fi.col;
            }

            ENDCG
        }
    }
}

效果图如下：

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